肉的电导率研究   
 
    摘要 在研究了肉在通电加热和通电加热解冻过程中电导率的变化。认为肉的电导率与肌肉纤维在电场中的方向有关,肌肉纤维平行于电场方向时的电导率高于垂直电场时的电导率,肉泥的电导率介于二者之间;冻肉的电导率与冻肉内不冻结水分含量有关。

  关键词 电导率 肉 通电加热
1 前言
  最近几十年,由于微波技术的快速发展。对食品在高频下的介电特性研究较多。但关于食品在低频下的电特性文献相对较少。利用电导特性进行的食品加工方法—通电加热法,近十几年来得到了广泛的应用。所谓通电加热,如图1,又称为欧姆加热(ohmic heating)、直接电阻加热(direct resistance heating)、纯电加热(electro-pure processing)。与微波加热相比,该技术热能利用率高,电能的转化率可达90%以上;升温速率快,加热均匀,没有物料厚度的限制,在整个物料深度上都有相同的加热速率,对于固液混合物可实现固体颗粒和液体的同时升温。为了成功的设计肉制品的通电加热加工工艺和通电加热解冻,文章对肉在通电加热过程中的电导率变化规律进行了探讨。

2 实验装置及实验方法
2.1 实验装置
  图2所示为肉的电导率测量装置。被测物料放在一直径φ30mm的尼龙圆筒中,两端为圆形板状钛电极,在电极两端施加一定的力来保证被测物料与电极的良好接触。220v、50hz的交流电通过可调通电加热电源对加热槽提供一定的电压,由热电偶温度传感器、霍尔电流传感器和霍尔电压传感器测量通电加热过程中物料的温度、电流和电压变化,并由计算机采样系统记录这些参数值。
  在较低的频率下通电加热时,可忽略介电损耗,因此,可把物料看成纯电阻加热。由实验装置中测得的电压v和电流i,以及电极间的距离l和物料与极板的接触面积s,可得到物料的电导率为:
2.2 实验方法
  (1)沿猪后腿肉的纤维方向和垂直纤维方向取15g的猪肉,放在加热圆筒内。施加0.05mpa的力,以保证肉与极板的良好接触,然后施加一定的电压通电加热;(2)取15g的猪后腿肉在打浆机中打成肉泥,放入加热圆筒内,施加005mpa的力,以保证肉与极板的良好接触,然后施加一定的电压通电加热;(3)取15g的猪肉放入圆筒内,两端加上电极,放入冰柜中冻结到-30℃左右,取出后施加0.1mpa的力通电加热。
3 实验结果分析
3.1 肉的纤维方向对肉电导率的影响
  图3为肉的纤维方向垂直电场的方向和平行电场方向以及打成肉泥的猪肉的电导率随温度的变化。肉具有较高的加热速率和电导率,这与肉的成分有关,对于精肉来说,含有72%~80%的水,16.7%~21.5%的蛋白质,0.4%~3.5%的脂肪,0.8%~1.8%的无机物和其它物质。肉中蛋白质和无机物在电场作用下具有导电的能力。因此,高的蛋白质和无机物含量使得肉具有高电导率。
  当肉的纤维方向平行电场方向时,其电导率最大,并且与温度成直线增加。肉的纤维方向垂直电场方向时,其电导率最低,肉泥的电导率介于二者之间。肉的电导率与电场方向的关系及肉的结构有关
  肌肉组织由大量的肌纤维组成,肌纤维由一层肌纤维膜包围,一条肌纤维是一个多核肌细胞,细胞内含有线粒体、肌浆网等细胞器。多条肌纤维平行排列组成肌纤维束,并有结缔组织的肌束膜包围,如图4所示。每个肌细胞的直径约10~100um,长约数毫米到数厘米不等,细胞内约有10.3多条平行排列的肌原纤维。每条肌原纤维又由许多平行的肌球蛋白粗丝和肌动蛋白细丝构成[1]。肌肉中存在大量的钙离子和钠离子,肌肉的收缩过程就是钙离子参与完成的。同样,肌肉中的离子在电场作用下运动,形成电流,具有电导的能力。
  当肉的纤维与电场平行时,离子在纤维方向运动,阻力较小,所以电导率较大;而当肉纤维方向垂直电场方向时,离子要穿过肌纤维膜和结缔组织膜,这使得离子在肉内的运动阻力增大,所以,电导率最低;对于肉泥,纤维结构被破坏,离子在电场中运动比纤维垂直电场时,所受的阻力减小,但又没有纤维平行电场时那么畅通,所以电导率介于二者之间。
由图3还可以看出,不论哪种情况,在90℃左右,电导率下降,主要是肉在加热过程中,当温度在80℃以上,肌原纤维变性引起皱缩,皱缩的肌原蛋白使肌动蛋白和肌球蛋白纤维中的水分被挤出,肉的硬度和纤维的密度增加,导电性能降低,当达到90℃左右时,有大量的水析出,蛋白的变性和水分的析出使得电导率快速下降
3.2 冻肉的电导率
  肉在冻结状态下,并不是所有的水都形成冰,仍有5%~10%的水呈液体的形式存在。由于肉在冻结时的溶质重新分布效应,使得这部分水以较高浓度溶液的形式存在,这为导电提供了可能性。尽管如此,但离子在肉中运动时,所受的阻力很大,因此电导率很低,在-6℃以上,电导率快速上升,如图5所示。这与冻肉内不冻结水分含量有关。图6为牛肉在不同温度下的不冻结水分含量。比较图5与图6可以看出,冻肉的电导率与不冻结水含量的趋势是一致的。因此认为冻肉内不冻结水分的含量是影响电导率的主要因素。
4 结论
  肉的电导率与肌肉纤维在电场中的方向有关,肌肉纤维平行于电场方向时的电导率高于垂直电场时的电导率,肉泥的电导率介于二者之间;冻肉的电导率与冻肉内不冻结水分含量有关。

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